DE2541523C3 - Schraubvorrichtung - Google Patents
SchraubvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schraubvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei einer aus der DE-AS 17 03681 bekannten
Schraubvorrichtung mißt die Meßeinrichtung die Steigung des über der Schraubendrehung als Kurve
auftragbaren Anzugsmomentes, die einen charakteristischen Verlauf aufweist Es wird dabei ausgenutzt, daß ab
Erreichen der Fließgrenze relativ große Schraubendrehungen nur noch mit kleinen Erhöhungen des
Anzugsmomentes verbunden sind. Um bei Fressen einer Schraube diese nicht abzureißen, kann die Meßeinrichtung einen Endschalter und/oder ein Warngerät
aufweisen, die auf eine zu starke Erhöhung des Anzeigemomentes ansprechen. Durch Einstellen eines
solchen Sehalters auf eintn bestimmten Wert läßt sich
die Vorrichtung zum Anziehen auf ein bestimmtes Drehmoment verwenden. In der Praxis hat sich jedoch
gezeigt, daß sich beim Anziehen gleichartiger Schraubverbindungen allein durch die Überwachung des
Anzugsmomentes und der Drehbewegung keinesfalls jeweils die gleiche axiale Zugkraft in der Schraubverbindung erreichen läßt Die bei dem zuletzt aufgebrachten
Drehmoment erreichte axiale Zugkraft in der Schraubverbindung steht zwar theoretisch mit* dem Drehmoment in einem bestimmten Zusammenhang, sie wird
jedoch keiner weiteren Überprüfung mehr unterzogen. Spezielle Untersuchungen angezogener Schraubverbindungen haben gezeigt, daß starke Abweichungen in der
jeweils erzielten Zugkraft auftreten. Diese sind bedingt durch die an sich zulässigen Toleranzschwankungen in
den Abmessungen, durch unterschiedliche Steifigkeits- und Festigkeitswerte dei iu verbindenden Bauteile und
durch große Reibungsunterschiede zwischen den einzelnen Schraubverbindungen. Besonders starke Abweichungen treten auf, wenn ein Schmiermittel
verwendet wird bzw. wenn in einem Fall ein Schmiermittel eingesetzt wird und im anderen Fall nicht.
Die Schwankungen in der Zugkraft betragen bis zu ±30%. Ungünstig ist ferner, daß defekte Schraubverbindungen, bei denen trotz eines normalen Drehmomentwertes am Abschaltpunkt keine oder eine viel zu
in geringe axiale Zugkraft erreicht wurde, nicht festgestellt
werden.
Bei einer aus der DE-AS 16 03 791 bekannten Schraubvorrichtung erfolgt das Anziehen in zwei
Stufen. Zunächst wird die Schraube mit einem niedrig
is gehaltenen Drehmoment bis zu einem Anschlagpunkt
angezogen. Von diesem Anschlagpunkt ausgehend wird dann mit einem im voraus bestimmten Drehwinkel die
Schraubverbindung fest angezogen. Bei dieser Vorrichtung ist es nachteilig, daß sich die von der Schraubver-
bindung erzeugten axialen Zugkräfte stets in Abhängigkeit von dem ersten Anschlagpunkt >=igeben, der sich
jedoch ausschließlich nach dem Drehwiderstand der Schraube ergibt Da dieser Anschlagpunkt unabhängig
von der bei ihm bereits erreichten axialen Zugkraft ist,
und gegebenenfalls allein durch einen momentanen
Reibungwnstieg in der Schraubverbindung signalisiert
wird, ist nicht sichergestellt, daß bei der dann nunmehr
um einen bestimmten Winkelbetrag erfolgenden Drehbewegung des Schraubbolzens die Schraubverbindung
jo einwandfrei angezogen ist
Bei einer aus der DE-OS 23 36 896 bekannten Schraubvorrichtung wird ein Steifigkeitsmeßgerät eingesetzt, das das Anziehen der Schraubverbindung nach
einer Beziehung zwischen dem Drehmoment und dem
Drehwinkel vornimmt Die axiale Zugkraft, die im
Endeffekt für die Festigkeit der Schraubverbindung von primärer Bedeutung ist, wird auch beim Anziehen mit
dieser bekannten Schraubvorrichtung weitgehend außer acht gelassen.
•to Schließlich ist aus der US-PS 28 89 729 ein Drehmomentschlüssel bekannt, der eine Drehwinkelmeßeinrichtung, enthält mit der das Anziehen der vorher bis zu
einem Anschlagpunkt angezogenen Schraubverbindung über einen bestimmten Drehwinkelbereich kontrollier
bar ist Auch hier wird wiederum die axiale Zugkraft der
Schraubverbindung nicht berücksichtigt, so daß beim Anziehen gleichartiger Schraubverbindungen, bei denen
stets nach dem Anschlagpunkt der gleiche Winkelbetrag weitergedreht wurde, trotzdem unterschiedlich
große axiale Zugkräfte vorliegen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraubvorrichtung der eingangs genannten Art so zu
verbessern, daß damit gleichartige Schraubverbindungen so angezogen werden können, daß in ihnen stets die
gleiche axiale Zugkraft erreicht wird. Außerdem sollen solche defekte Schraubverbindungen aufspürbar werden, bei denen trotz eines an sich richtigen Anziehdrehmomentes eine au geringe axiale Zugkraft erreicht
wurde.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1
angegebenen Merkmale gelöst.
Diese Ausbildung der erfindungsgemä&en Schraubvorrichtung gestattet es, eine Schraubverbindung
μ zunächst unter Überwachung des Drehmomentes und
der Drehbewegung bis zur Fließgrenze anzuziehen. Danach läßt sich am Abschaltpunkt die Größe der
erreichten, axialen Zugkraft ermitteln. Zeigt sich, daß
die überprüfte Zugkraft einen gewünschten und vorherbestimmten Wert hat. wird der Anziehvorgang
als abgeschlossen betrachtet. Bei einer Abweichung der erreichten axialen Zugkraft nimmt die Schraubvorrichtung
hingegen selbsttätig eine Korrektur der Anziehbewegung vor, bis die gewünschte axiale Zugkraft in der
Schraubverbindung erreicht wird. Die Verwendung der Schraubvorrichtung führt zu Schraubverbindungen, bei
denen in vorteilhafter Weise stets die gleiche axiale Zugkraft erreicht wird. Außerdem können defekte
Schraubverbindungen aufgespürt werden, die andernfalls spätere Gefahrenquellen oder Bruchstellen darstellen
könnten.
Weitere, zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung
lassen sich den angeschlossenen Untcransprüchen entnehmen.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. i ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Drehmoment und Drehung beim Anziehen einer
Schraubverbindung,
Fig. 2 ein Diagramm der Beziehung zwischen der
axialen Zugkraft und dem Drehmoment einer Schraubverbindung bis zum Erreichen der Fließgrcnze.
F i g. 2A ein Diagramm der Beziehung zwischen axialer Zugkraft und der Winkeldrehung der Schraube,
Fig. 3 ein Diagramm der Beziehung zwischen Last und Drehmoment während eines Anziehvorgangs,
Fig.4 eine schematischc Darstellung einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 5 eine Teildarstellung einer Vorrichtung geniäB
F i g. 4 mit Modifikationen, und
F i g. 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
In F i g. 1 ist eine Drehmoment-Drehbcwegungskurve
für eine Schraube dargestellt, die angezogen wird. In
einem Anfangsbereich vor dem eigentlichen Anziehen vom Nullpunkt bis zum Punkt A wird entweder die
Schraube oder die Mutter gedreht, wobei noch keine Berührung mit den zu verbindenden Bauteilen auftritt.
Am Kurvenpunkt A beginnt erst das eigentliche Festziehen der Verbindung. Zwischen dem Kurvennnnkt
A und dem Kiirvrnniinkl B wird in rtpr
Verbindung eine axiale Kraft erzeugt, die auf die Bauteile wirkt und diese einspannt. Vom Punkt B an
verläuft die Kurve nicht mehr linear. Der Punkt S wird als Anfang des Streck- oder Bruchbereiches betrachtet.
Über den Punkt B hinaus soll weiter ein Drehmoment angreifen, jedoch mit nicht-linearer Zunahme. Der
Punkt C entspricht der Fließgrenze oder der Streckgrenze der Verbindung. Nach dem Punkt C ist die
Verformung cxfr Dehnung der Schraube nicht mehr
rein elastischer Natur.
In Fig. 2 ist eine Kurve D dargestellt, die die
Fließgrenze einer Vielzahl von Schraubverbindungen bei einer Drehbelastung in Verbindung mit einem
axialen Zug wiedergibt. Auf der Abszisse ist das Drehmoment und auf der Ordinate der axiale Zug
aufgetragen. Drei Punkte, nämlich Ci. C? und Cj. sind
hervorgehoben. Die Fließgrenzen sind durch verschiedene Beanspruchungszustände. die sich bei axialem Zug
und einer Drehbeanspruchung ergeben, festgeiegt. Einflußgrößen sind der Reibungskoeffizient oder die
Reibungsparameter zwischen der Schraubverbindung und den anliegenden Flächen. Ohne Reibung würde die
Fließgrenze dem Punkt d auf der Kurve Dentsprechen
und für einen unendlich hohen Reibungskoeffizienten würde die Fließgrenze dem Punkt C, entsprechen. Die
Fließgrenzen bei Ci, C1 und C3 entsprechen den
Fließgrenzen auf den Belastungs-Drchmomentkurven Fi, Fi bzw. Fi, die jeweils den Belastungs-Drehmoment-Zusammenhang
für eine Schraubverbindung bei unterschiedlichen Reibungsparametern wiedergeben. Die
Kurven l·]. Fi und Fi verlaufen zur jeweiligen
fließgrenze hin geradlinig. Fig. 2 zeigt, daß die experimentell festgestellten Fließgrenzen-Unterschiede
von den unterschiedlichen Reibungsparameiern herrühren. Eine der Grundlagen für das Verständnis der
nachfolgend erläuterten Vorrichtung liegt in der Bestimmung des jeweiligen Reibungsparameter einer
bestimmten Schraubverbindung und der Ermittlung des Belastungs-DrehmomeniZusammenhangs bzw. der
Kurven Fi. Fi oder Fi.
Ein Bereich der Kurve D zwischen einem Punkt C1
und dem Punkt C, verläuft etwa parabolisch, so daß jeder Drehmomentweri in diesem Bereich zwei
unterschiedlichen Belastungswerten entspricht. Tatsächlich
gibt dieser Kurvenbereich die i iicügrenzcn bei wesentlich größeren Reibungsparamctern an. als dies
praktisch der Fall ist.
Wenn ein Drehmomentwert auftritt, der größer ist als
der eiern Punkt C, entsprechende Drehmomentwert, so ist dies ein Zeichen dafür, daß die Schraubverbindung
fehlerhaft ist.
Die auftretende Axialkraft ist auf der Ordinate und das Drehmoment auf der Abs/issc aufgetragen. Das an
der Schraubverbindung auftretende Drehmoment ist rechts von der Ordinate und das I.öse-Drehmoment
links von der Ordinate aufgetragen. An der Fließgrcn/c (Punkt C in F i g. 3) der Schraubverbindung wird das
auftretende Drehmoment festgestellt und zu der Kurve, die sich aus der axialen Zugkraft und dem Drehmoment
ergibt, in Beziehung gesetzt (Kurve Din Fig. 2). Die in
der Schraubverbindung auftretende axiale Belastung an der Fließgrenze und die genauen Reibungsparameter
dieser Schraubverbindung können dann bestimmt werden.
Wenn das an der Schraubverbindung angreifende Drehmoment an der Fließgrenze auf der Abszisse der in
Fig. 2 dargestellten Kurve D liegt, so kann der
pnunrprhpnHr Pnnkl ;nif Hör Knrvr /J <;nwip »tor
entsprechende Punkt /./> auf der Ordinate bestimmt werden, wobei letzterer die axiale Zugkraft in der
Schraubverbindung wiedergibt. Bei Kenntnis eines bestimmten Punktes auf der Kurve D ist der
Reibungsparameter der anzuziehenden Verbindung bekannt, und kann auch nach folgender Gleichung
bestimmt werden:
Fist der Reibungsparameter der Schraubverbindung, abhängig von Reibungskoeffizienten zwischen der
Schraubverbindung und von Abmessungen der Schraubverbindung: T, ist das Drehmoment an der
Fließgrenze: L, ist die axiale Zugkraft an der Fließgrenze: D ist der Durchmesser der Schraube.
Daraus ist das Drehmoment bestimmbar, um in der Schraubverbindung die gewünschte axiale Zugkraft zu
erzeugen. Und /war ist:
Td =
FD
Ld ist die gewünschte axiale Zugkraft. Ta das Drehmoment,
das erforderlich ist. um die gewünschte axiale Zugkraft zu erzeugen. Fist der Reibungsparametcr der
Schraubverbindung; Π ist der Durchmesser der
Schraube.
[•line andere Möglichkeil /ur Bestimmung des
Drehmoments ist es. den im wesentlichen linearen Zusammenhang zwischen der Zugkraft und Drehmoment
bis zur Fließgren/.c heranzuziehen, der in Fr i g. 2
durch F\, Fi und Fi dargestellt ist. Aus diesen Kurven
läßt sich die Gleichung herleiten:
1ä
=
T,
Ι.,ι ist die gewünschte axiale Zugkraft. T1/ ist das dafür
erforderliche Drehmoment, /.., die axiale Zugkraft an der Fließgrenze: T, das an der Fließgrenze auftretende ι
Drehmoment. Durch Umformung dieser Gleichung ergibt sich:
Wenn das für die gewünschte axiale Zugkraft erforderliche Drehmoment bestimmt ist. wird an die
Schraubverbindung wieder ein Drehmoment angelegt. Dieses wird zum Lösen der Schraubverbindung benutzt.
Wenn es etwa gleich dem Drehmoment ist. das für die gewünschte Kraft erforderlich ist. ist die in der
Schraubverbindung auftretende Zugkraft etwa am gewünschten Wert.
In F-' i g. J ist die Beziehung /w iseheri der Zugkraft und
dem Drehmoment beim Anziehen und Lösen durch ausgezogene Linien dargestellt (Losen: links von der
Ordinate). Das Lose-Drehmoment ist kleiner als das Anzugsdrehmoment. Bis zum Lösen beim Punkt Λ
nimmt das Löse-Drehmoment linear ab. bis weder eine
Zugkraft noch ein Drehmoment in der Schraubverbindung vorliegt. Dies entspricht dem Nullpunkt im
Diagramm von F i g. 3. Vom Punkt Λ bis zum Nullpunkt entspricht die Löse-Drehmomcnl-Kurve nicht der
Anzugs-Drehmomcnt-Kurve. so daß das Lösen bis zu einem gemäß den zuvor beschriebenen Maßnahmen
bestimmten Drehmoment eine axiale Zugkraft in der Schraubverbindung erzeugt, die etwa der gewünschten
/ugkidii ciii^piii'iii. im Hinblick auf eine höhere
Genauigkeit sollte die Schraubverbindung bis zu einem Drehmoment gelöst werden, das etwas unter dem
Drehmoment liegt, das für die Erzeugung der gewünschten Zugkraft erforderlich ist (Punkt VJl Das
endgültige Löse-Drehmoment sollte wenigstens etwa 5% unter dem Drehmoment liegen, das zur Urzeugung
der gewünschten Zugkraft erforderlich ist. Danach wird wieder ein Drehmoment an die Schraubverbindung
gelegt (Fig. 3. gestrichelt), um die Schraubverbindung
anzuziehen. Wenn das Anzugs-Drehmoment gleich dem Drehmoment ist. das zur Erzeugung der gewünschten
axialen Zugkraft erforderlich ist (F i g. 3. Punkt Z). wird abgeschaltet. Das nochmalige Anziehen der Schraubverbindung
zeigt nochmals die Zugkraft-Drehmoment-Beziehung auf. die in der Schraubverbindung vorliegt,
wenn sie bis zur Fließgrenze angezogen ist. Auf diese Weise wird die Genauigkeit des Anzugsvorganges
erhöht.
In Fig. 2A gibt eine Kurve Edie Beziehung zwischen
der axialen Zugkraft und der Drehung einer bestimmten Schraube oder Mutter an. Sie ist unabhängig von den
Reibungsparametern der Verbindung. Die Fließgrenze ist entlang der Kurve verschiebbar, da der Bruchpunkt
sowohl von der axialen Zugkraft als auch von der Torsionsbelastung abhängt, und da die Torsionsbclastung
von den Reibungsparametern in der anzuziehenden .Schraubverbindung abhängt. Deshalb liegt die
I ließgrenze in F i g. 2A bei Ci.
Nachfolgend soll ein Verfahren beschrieben werden, bei dem die Drehbewegung der grundlegende Kenn
wert ist. Die Winkeldrehung wird dabei gemessen. An der l'ließgren/e wird unter Verwendung des in F i g. 2A
dargestellten vorbestimmten Zusammenhangs zwischen der axialen Zugkraft und dem Drehwinkel die Zugkraft
bestimmt. Unter Verwendung der im wesentlichen linearen Beziehung zwischen der axialen Zugkraft und
dem Drehwinkel kann eine Beziehung geschaffen werden, bei der statt des Drehmoments die Winkelver
drehung eingesetzt wird. Wie zuvor bei einer CJberkreuz-Muiiiplikation
der Gleichungen kann auch hier eine Gleichung für die Winkelverdrehung angegeben
werden, die die gewünschte axiale Zugkraft repräsentiert. Dann wird das Drehmoment auf die Schraubverbindung
ausgeübt, bis die Winkelverdrehung in etwa gleich der Winkelverdrehung ist, die erforderlich ist. die
gewünschte axiale Zugkraft zu erzeugen. Die Kurve, die die Beziehung zwischen der Zugkraft beim Lösen und
der Winkelverdrehung angibt, ist symmetrisch, so daß
das Lösen direkt mit der Winkelverdrehung erfolgt, die erforderlich ist. um die gewünschte Zugkraft zu
erzeugen. Dabei braucht die Schraubverbindung nicht noch einmal angezogen zu werden. Ersichtlich ist dies
vorteilhafter, als das Drehmoment als Ausgangswert heranzuziehen. Ls kann jedoch, wie zuvor erläutert
wurde, auch vorteilhaft sein, mit dem Drehmoment zu
arbeiten, da bei der Messung der Winkelverdrehung eine Bestimmung des Null- oder Anfangspunktes
erforderlich ist. was unter Umständen zu Fehlern führen kann.
In F i j!. 4 weist eine Schraubvorrichlung IO ein
Drehwerkzeug 12 und einen umsteuerbaren Motor 14. eine Antriebswelle 16 und einen Einsatz 18 auf. Der
Motor 14 kann mit Druckluft betrieben werden, wobei das Antriebsfluid durch geeignete elektrisch betätigte
Antriebssicuerveniile 20 und 21 beeinflußt wird. Das
Antriebsstcuerventil 20 dient zum Anziehen und das Antriebssteuerventil 21 zum Lösen. Selbstverständlich
kann auch ein riekimimiiiM. em iiyuimiiiM-iici fviuu»
oder eine Kombination eines pneumatischen, hydraulischen oder Elektromotors verwendet werden.
Zwischen dem Motor 14 und einem Rahmen 22 ist ein Meßglied 24 angebracht, das ein drehmomentabhängiges
Signal erzeugt. Ein flexibler Ring mit Dehnungsmessern 25 am Außenumfang mißt das Gegendrehmoment
des Drehwerkzeuges und erzeugt ein dem Drehmoment entsprechendes elektrisches Signal. An der Antriebswelle
16 ist ein Codierer 26 angebracht, der mit einem Abstandsdetektor 28 zusammenwirkt, der Signale
erzeugt, die die Winkelverdrehung wiedergeben. Der Codierer 26 besitzt auf dem Außenumfang ausgebildete
Zähne. Der Detektor 28 erzeugt beim Vorbeilaufen der Zähne elektrische Signale.
Eine Steuerschaltung steuert das Anziehen der Schraubverbindung und weist ein Gradienten-Berechnungss)
stern auf. das den augenblicklichen Gradienten der Drehmoment-Verdrehungskurve der Schraubverbindung
bestimmt. Das Gradienten-Berechnungssysterr: enthält ein Schieberregister 32. dem das augenblickliche
Drehmomentsignal zugeführt wird und dessen Ausgangssignal vom Verdrehungssignal nach fest vorgegebenen
Zunahmen des Drehwinkels abgetastet wird. Das Ausgangssignal des Schieberregisters 32 gibt daher das
Drehmoment wieder, das eine vorgegebene Gradzahl der Drehung vorder momentanen Drehung vorlegt. F.in
Vergleicher 34. der als .Subtrahierschaltung ausgebildet ist. bekommt das Ausgangssignal des .Schieberregisters
32 und das das .Momentane Drehmoment wiedergebende Signal zugeführt und liefert ein die Differenz dieser
Signale wiedergebendes Ausgangssignal. Da die Drehmomentsignale über festgelegte Drehbereiche subtrahiert
werden, gibt das Ausgangssignal vom Vergleichcr 34 den momentanen Gradienten der Drehmcimonl-Vcrdrehungskurve
wieder, aufgrund der die Schraubverbindung angezogen wird.
Die Kurve, die die Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Verdrehung wiedergibt, verläuft
zwischen den Punkten Λ und B etwa linear, aber nicht genau linear, lis können auf der Kurve zeitweilig
auftretende Spitzen bei bestimmten Schraubverbindun-
Gleitmittel herrühren, das in der Schraubverbindung vorliegt. Das Ausgangssignal des Vergleichen 34
unterliegt daher gewissen Schwankungen. Aus diesem Grunde sind beim Gradienten-Berechnungssysteni
Schaltungen vorgesehen, die den größten Gradienten feststellen und speichern, der bis zu irgendeinem Punkt
auf der genannten Kurve auftritt. Der größte Gradient, der in dem etwa linear verlaufenden Bereich der Kurve
auftritt, kann in drr Tat als der Gradient für diesen Kurvenbcreich angesehen werden. Daher ist eine
Speicherschaltung 36 vorgesehen, die ein Signal, welches den größten Gradient wiedergibt, speichert und
die momentanen Gradientensignale mit den größten, gespeicherten Signalen vergleicht. Wenn ein momentan
auftretendes Gradientensignal größer ist als das gespeicherte Gradientensignal, wird dann das momentan
auftretende Gradientensignal gespeichert, um dann wieder mit den auftretenden Signalen verglichen zu
werden. Die Speicherschaltung 36 ist ausführlicher in der Patentanmeldung P 23 38 896.9 beschrieben.
Der momentane Drehmoment-Verdrehungsgradient steht beim Anziehen üblicher Schraubverbindungen mit
dem größten Drehmoment- Verdrehungssradienten
derart im Zusammenhang, daß der momentane Drehmoment-Gradient etwa 25 bis 75% und üblicherweise
etwa 50% des maximalen Drehmoment-Gradienten an der Fließgrenze der Schraubverbindung beträgt. Durch
Verwendung eines Vergleichers 38 kann das vom Vergleicher 34 kommende, momentane Gradientensignal
mit dem von der Speicherschaltung 36 kommenden maximalen Gradientensignal verglichen werden. Wenn
das momentane Gradientensignal einen vorgegebenen Prozentsatz aufweist, oder entsprechend kleiner als das
maximale Gradientensignal ist, kann die Vergleichsschaltung 38 ein Feststellsignal bereitstellen, das
wiedergibt, wenn die Schraubverbindung bis zur Fließgrenze angezogen worden ist.
Das Feststeilsignal vom Vergleicher 38 wird dem Antriebssteuerventil 20 zugeführt, das abschaltet.
Gleichzeitig schließt das Feststellsignal einen Schalter 4Z wodurch ein Signal von der Drehmoment-Feststelleinrichtung
24 einem Speieber 40 zugeführt wird. Das von der Drehmoment-Feststelleinrichtung 24 kommende
Signal gibt das momentane, an der Fließgrenze ausgeübte Drehmoment auf die Schraubverbindung
wieder. Der Speicher 40 speichert den vorbestimmten Zusammenhang der axialen Zugkraft und der Torsionsbelastung
an der Fließgrenze für den Schraubverbindungstyp, der angezogen werden soll (F i g. 2, Kurve D)
Wenn das das Drehmoment an der Fließgrenze wiedergebende Signal im Speicher 40 verarbeitet wird,
wird der Speicher abgetastet und die Belastung, die dem
am Bruchpunkt ausgeübten Drehmoment entspricht, wird ermittelt. Der Speicher 40 kann auch den
Reibungsparameter der Schraubverbindung ermitteln.
Der Speicher 40 liefert ein Ausgangssignal, das der axialen Zugkraft an der lließgrenze entspricht. Dieses
wird einem Vergleicher 46 zugeführt, dem ein Signal eines .Signalgenerators 48 zugeleitet wird. Dieses Signal
gibt die gewünschte Zugkraft wieder. Wenn die verglichenen Signale gleich sind, ist die gewünschte
Zugkraft erreicht. Der Vergleicher 46 liefert kein Aiisgangssignal. Der Anziehvorgang ist abgeschlossen.
Gegebenenfalls könnte der Vergleicher 46 auch ein Signal an eine Anzeigeeinrichtung geben. Wenn d^s
vom Signalgenerator 48 kommende Signal größer ist. als das vom Speicher 40 kommende, ist die gewünschte
!f! "rol
die
riießgrenze. wodurch angezeigt wird, daß die Schraubverbindung
defekt ist. Der Vergleicher 46 könnte dann auch eine andere Anzeige aktivieren. Normalerweise ist
jedoch die auftretende Zugkraft an der Fließgrenze größer als die gewünschte Zugkraft. Der Vergleicher 46
liefert dann ein Ausgangssignal, das einen Schalter 47 zwischen dem Speicher 40 und einem Rechner 50
schließt. Der Rechner bestimmt dann das Drehmoment, das erforderlich ist, um in der Schraubverbindung die
gewünschte Zugkraft zu erzeugen.
Gemäß Fig. 4 löst der Rechner 50 die Gleichung
Τ,ι= Z../X FD. Dazu erhält der Rechner 50 das vom
Signalgenerator 48 bereitgestellte Signal für die gewünschte Zugkraft und ein weiteres, von einem
anderen Signalgenerator 52 bereitgestelltes Signal das den Durchmesser D wiedergibt. Der Speicher 40 liefert
über den Schalter 47 dem Rechner 50 ein Signal, das den Reibungsparameter F wiedergibt. Der Rechner 50
liefert ein Ausgangssignal, das das Drehmoment wiedergibt, welches erforderlich ist. um die Schraubverbindung
auf der gewünschten Zugkraft anzuziehen.
Fig. 5 gibt einen Rechner 50/4 zun' Lösen der Gleichung
wieder. Er erhält ein vom Signalgenerator 48 bereitgestelltes Signal, das die gewünschte Zugkraft wiedergibt,
sowie über den Schalter 47 ein vom Speicher 40 bereitgestelltes Signal, das die bei einer Schraubverbindung
auftretende axiale Zugkraft an der Fließgrenze wiedergibt. Der Rechner 50/4 erhält über den Schalter
42 ein von der Drehmoment-Feststelleinrichtung 24 erzeugtes Signal zugeführt, das das Drehmoment
wiedergibt, welches bei der Schraubverbindung an der Fließgrenze auftritt Danach liefert der Rechner 5OA ein
Ausgangssignal, das das Drehmoment wiedergibt, welches erforderlich ist, um die Schraubverbindung auf
die gewünschte Zugkraft anzuziehen.
Dieses Signal wird in einem Speicher 54 für einen Vergleich mit dem tatsächlichen Drehmoment gespeichert,
das vom Drehwerkzeug 12, 18 weiter auf die Schraubverbindung ausgeübt wird, und zwar um
festzustellen, wann abzuschalten ist.
im Zusammenhang mit F i g. 3 sei nochmals erwähnt, daß die Kurve, die die Beziehung zwischen der Zugkraft
und dem Drehmoment wiedergibt, beim Lösen und Anziehen nicht symmetrisch ist Für eine höhere
Genauigkeit is I ein weiterer Rechner 56 vorgesehen, der
vom Speicher 54 ein Signal erhält und ein Drehmoment
berechnet, das um ca. 5% niedriger als das Drehmoment
ist, das für die gewünschte Zugkraft gebraucht wird. Der Rechner 56 gibt ein Signal ab, entsprechend dem in
Fig. 3 dargestellten Punkt Z Ein weiteres Signal des
Rechners 56 wird dem Antriebssteuerventil 21 zugeführt, das den Motor 14 umsteuert, der dann zu lösen
beginnt. Gleichzeitig wird das Signal einem Vergleicher 58 zugeführt, der auch ein von der Feststelleinrichtung
24 kommendes Signal erhält, das das ausgeübte Drehmoment zum Lösen wiedergibt. Der Vergleicher
58 vergleicht die Signale. Wenn die Signale übereinstimmen, wird ein Steuersignal bereitgestellt, das dem
Antiiebssteuerventil 21 zugeführt wird. Dieses schaltet
dann ab. Dieses Steuersignal wird auch einem Impulsverzögerer 60 zugeführt. Nach einem Zeitraum,
der sicherstellt, daß der Motor 14 steht, gibt der Impulsverzögerer 60 ein Signal ;m das Antriebssteuerventil
20 S^, wodurch wieder angezogen wird. Das
Ausgangssignal des Impulsverzögerers 60 wird auch einem Schalter 62 zwischen dem Speicher 54 und dem
Vergleicher 64 zugeführt, und gelangt zum Vergleicher 64. Der Vergleicher 64 erhält auch von der Drehmoment-Feststelleinrichtung
24 ein Signal, das jetzt das neuerliche Anzugsdrehmoment wiedergibt. Wenn die
verglichenen Signale gleich sind, wird dem Antriebssteuerventil 20 ein Signal zugeführt, wodurch abgeschaltet
wird. Das vom Speicher 54 kommende Signal, das das Drehmoment wiedergibt, welches zur Erzeugung
der gewünschten axialen Zugkraft erforderlich ist. kann auch einem weiteren Verglcicher zugeführt werden, der
ein Signal zugeleitet erhält, welches dem Drehmoment beim Lösen entspricht. Wenn diese verglichenen
Signnle gleich sind, wird der Motor ebenfalls ausgeschaltet. Ein solches System arbeitet nicht so genau, wie
das in Fig. 5 dargestellte, es reicht für einige Anwendungsformen jedoch aus.
Der Eingangskennwert kann auch die Winkelverdrehung der Schraubverbindung sein. In F i g. 6 ist eine
Vorrichtung 10ß dargestellt, ähnlich dem von Fig. 4. jedoch mit dem Unterschied, dali in ihr als bingangskennwert
die Winkelverdrehung benützt wird. Die den in F i g. 4 dargestellten Teilen entsprechenden Teile sind
mit dem Zusatz 0 versehen. Der Detektor 28ß erzeugt Signale, die der schrittweisen Zunahme der Winkelverdrehung
entsprechen, und zwar mit einer geeigneten Addier- und Speicherschaltung 70. die die vom Detektor
abgegebenen Signale empfängt, addiert und ein Ausgangssignal bereitstellt, das die gesamte Winkelverdrehung
wiedergibt. Wenn die Fließgrenze erreicht worden ist, wird das vom Vergleicher 38ß erzeugte
Feststellsignal zum Schließen des Antriebssteuerventils 20ß benutzt und auch einem Schalter 42ß zwischen der
Schaltung 70 und dem Speicher 40ß zugeführt. Der Speicher 40ß speichert den Zusammenhang zwischen
der axialen Zugkraft und der Winkelverdrehung für den Schraubverbindungstyp, der angezogen werden soll
(Kurve von Fig. 2A). Das von der Schaltung 70 kommende Signal tastet den Speicher 40ß ab. Der
Speicher ermittelt die axiale Zugkraft die an der Fließgrenze wirkt und liefert entsprechende Ausgangssignale.
Das die axiale Zugkraft an der Fließgrenze wiedergebende Signa! wird einem Vergleicher 46 ß rügeführt, der
es mit einem vom Signalgenerator 48ß kommenden Signa!, das der gewünschten Zugkraft entspricht,
vergleicht und feststellt, ob die tatsächliche axiale Zugkraft kleiner, gleich oder größer ist. Wenn die
gewünschte Zugkraft kleiner oder gleich ist. wird vom Vergleicher 46ß entweder überhaupt kein Signal
erzeugt, oder es wird ein Ausgangssignal erzeugt, das entsprechende Lichtanzeigen einschaltet, wie dies im
Zusammenhang mit dem Vergleicher 46 bei Fig. 4
beschrieben wurde. Wenn das Signal größer als das die gewünschte Zugkraft wiedergebende Signal ist. win'
vom Vergleicher 46 ein Signal bereitgestellt, das dem Schalter 47Ö zugeführt wird, wodurch ein Signal,
welches die tatsächliche axiale Zugkraft wiedergibt, vom Speicher 400 an den Rechner 50ß gelangt, dem
weiterhin ein vom Signalgenerator 48ß bereitgestelltes Eingangssignal zugeführt wird, das der gewünschten
axialen Zugkraft entspricht. Der Rechner 50ß erhält weiterhin ein von der Addier- und Speicherschaltung 70
erzeugtes Signal zugeführt, das die Winkelverdrehung der Schraubverbindung an der Fließgrenze wiedergibt.
Wie der Rechner 50/4 weist auch der Rechner 500 geeignete Multiplizierschiiltiingen auf. um die Gleichung
zu lösen.
Das vom Rechner 50ß bereitgestellte Signal gibt also
die Winkelverdrehunj- wieder, die erforderlich ist. um in
der Schraubverbindung die gewünschte axiale Zugkraft
in zu erzeugen.
Das Signal vom Rechner 50ß wird einem Vergleicher 74 zugeführt, der weiterhin ein Signal von der Addier-
und Speicherschaltung 70 zugeführt bekommt. Dieses Signal gibt die Winkelverdrehung an der Fließgrenze
si wieder. Der Vergleicher 74 subtrahiert die beiden
Signale und ermittelt die Änderung der Winkelverdrehung, die erforderlich ist. um die Schraubverbindung
von der Fließgrenze bis auf die gewünschte axiale Zugkraft zu !ösen. Das vom Vergleicher 74 bereitge-
stellte Signal gibt dann diese Änderung der Winkelverdrehung an und wird einem Speicher 54ß zugeführt, der
mit einem weiteren. eDenfaiis eine Subirahierschaitung
enthaltenden Vergleicher 64ßin Verbindung -. >.:ht. Ein
vom Vergleicher 74 bereitgestelltes Signal öffnet das
4-, Antriebssteuerventil 21, das das Lösen einleitet. Das
letzte Ausgangssignal schließt auch den Schalter 80 zwischen einem Vergleicher 82 und der Drehmoment-Feststelleinrichtung
24B. Der Vergleicher 82 erhält auch ein Signal vom Generator 84 zugeführt, das ein kleinstes
ίο Drehmoment wiedergibt, das auf die Schraubverbindung
ausgeübt werden sollte, und das von der Drehmoment-Feststelleinrichtung 24ß kommende Signal
gibt natürlich das Drehmoment wieder, das gerade auf die Schraubverbindung ausgeübt wird. Wenn das
ϊ5 augenblickliche Drehmoment größer als das kleinste
Drehmoment ist, liefert der Vergleicher 82 ein Ausgangssignal, das einen Schalter 86 zwischen dem
Detektor 28ß und einem Zähler 88 schließt. Wenn dann die Schraubverbindung gelöst wird, werden die die
stufenweise Zunahme der Verdrehung wiedergebenden Signale im Zähler 88 addiert und dem Vergleicher 64ß
zugeführt. Wenn die dem Vergleicher 640 zugeführten Signale gleich sind, ist die Winkelverdrehung der
Schraubverbindung im wesentlichen gleich der Winkel-Verdrehung, die erforderlich ist um die gewünschte
Zugkraft zu erzeugen. In diesem Falle stellt der Vergleicher 64ß ein Signal bereit das dem Antriebssteuerventil
21B zugeführt wird, so daß der Motor 140
abgestellt wird. Der Vergleicher 82 stellt also sicher, daß
der Zähler 88 keii.e Zählersignale vom Detektor 28S zählt, die ein Spiel im Motor 14fl wiedergeben, das
durch die Toleranzen der Bauteile verursacht ist Wenn die Winkelverdrehung als Eingangskennwert herangezogen
wird, kann die Schraubverbindung — wie bereits
erläutert — direkt bis zu detn Verdrehwinkel gelöst
werden, der erforderlich ist, um die gewünschte axiale Zugkraft zu erzeugen- In diesem Falle ist also ein
Wiederanziehen nicht erforderlich, wie dies der Fall ist, wenn als F.ingangskennwert das Drehmoment herangezogen
wird.
Hierzu 3 Blatt Zcichniinccn
Claims (9)
1. Schraubvorrichtung mit einer Meßeinrichtung, von der beim Anziehen einer Schraubverbindung
über SjgnaJe abgebende Meßglieder das Drehmoment über der Drehbewegung überwacht und ein
das Erreichen der Fließgrenze in der Schraubverbindung angebender Punkt bestimmt wird, an dem ein
Abschaltsignal zum Stillsetzen der Sehraubvorrichtung erzeugt wird, dadurch gekennzeich-
net, daß zum Berichtigen der am Abschaltpunkt erreichten, axialen Zugkraft in der Schraubverbindung eine Regeleinrichtung (54 bis 64) vorgesehen
ist, mit der auf die Schraubvorrichtung im Sinne eines Lösens bzw. Lösens und erneuten Anziehens
einwirkbar ist, und daß der Regeleinrichtung (54 bis 64) eine Recheneinrichtung (40 bis 50) zugeordnet
ist, die im Anschluß an das Abschaltsignal ingangsetzbar ist und mit der unter Verwendung der
Signale der Meßglieder (24 oder 28) und eines gespeicherten und vorbestimmten Zusammenhangs
zwischen der axialen Zugkraft und dem Drehmoment oder der Drehbewegung ein Drehmomentwert
oder ein Drehbewegungsmaß ermittel- und in die Regeleinrichtung eingebbar ist, bei dem die gewünschte axiale Zugkraft in der Schraubverbindung
erreicht ist.
2. Schraubvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung einen
Speicher (40; 4QB) enthält, in dem der Zusammen- jo
hang zwischen der axialen Zugkraft und dem Drehmoment •''der der Drehbewegung einer mit der
gerade anzuziehenden Schraubverbindung vergleichbaren Schraubverbindung gespeichert ist
3. Schraubvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, « dadurch gekennzeichnet, daß im Speicher (40) der
Zusammenhang zwischen axialer Zugkraft und dem Drehmoment gespeichert ist und von der Recheneinrichtung (40 bis 50) ein der gewünschten axialen
Zugkraft entsprechender Drehmoment errechenbar ist, bis zu dem von der Regeleinrichtung in der
Schraubvomchtung öin Lösedrehmoment bewirkbar ist, dessen Wert annähernd dem errechneten
Anziehdrehmomentwert entspricht
4. Schraubvomchtung nach Anspruch 3, dadurch v,
gekennzeichnet, daß von der Regeleinrichtung (54 bis 64) ein Lösedrehmomentwert bewirkbar ist, der
um einen vorbestimmten Anteil, vorzugsweise 5%, unterhalb des ermittelten Drehmomentwerts liegt,
und daß daraufhin von ihm ein neuerliches Anziehdrehmoment bis auf den errechneten Drehmomentwert bewirkbar ist
5. Schraubvorrichtung nach den Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Speicher (4OuJ
der Zusammenhang zwischen axialer Zugkraft und v> der Drehbewegung gespeichert ist und von der
Recheneinrichtung (4QB bis 5QB) das der gewünschten axialen Zugkraft entsprechende Drehbewegungsmaö errechenbar ist, bis zu dem von der
Regeleinrichtung in der Schraubvorrichtung eine w)
Lösedrehbewegung bewirkbar ist.
6. Schraubvorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von dem
Speicher (40) aus dem gespeicherten Zusammenhang zwischen der axialen Zugkraft und dem *>
Drehmoment ein Ausgangssignal bereitstellbar ist, das die Reibungsverhältnisse in der Schraubverbindung angibt und für die Recheneinrichtung zur
Ermittlung des der gewünschten axialen Zugkraft entsprechenden Drehmomentwerts nutzbar ist
7. Schraubvomchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch je ein Antriebssteuerventil (20,2t) für jede Drehrichtung der Schraubvorrichtung (12), durch ein Meßglied (24) zum Erzeugen
von dem augenblicklich aufgebrachten Drehmoment entsprechenden Signalen, durch ein zweites Meßglied (28) zum Erzeugen von die Drehbewegungsschritte angebenden Signalen, durch die Meßeinrichtung (32 bis 38), mit der aus den Signalen das
Abschaltsignal für das Antriebssteuerventil (20) erzeugbar ist, durch die über einen ersten, vom
Abschaltsignal betätigbaren Schalter (42) mit dem Drehmomentmeßglied (24) verbindbare Recheneinrichtung (40 bis 50), die einen Speicher (40) für den
vorbestimmten Zusammenhang zwischen axialer Zugkraft und dem Drehmoment, der ein die am
Abschaltpunkt vorliegende, axiale Zugkraft angebendes Signal liefert, ferner dem Speicher nachgeschaltet einen Vergleicher (46) und einen zweiten,
vom Vergleicher (46) betätigbaren Schalter (47) sowie einen Multiplizier-Rechner (50) aufweist der
eingangsseitig an den Schalter (47), an einen ersten, parallel auch den Vergleicher (46) mit einem der
gewünschten axialen Zugkraft entsprechenden Signal versorgenden Signalgenerator (48) und an
einen zweiten, einen signifikanten Schraubverbindungskennwert bereitstellenden Signalgenerator
(52) angeschlossen ist, aufweist, der den Drehmomentwert berechnet, bei dem die gewünschte axiale
Zugkraft erreicht wird, sowie durch die nachgeschaltete Regeleinrichtung (54 bis 64), die einen Speicher
(54) für das Ausgangssignal des Rechners (50) aufweist, der ausgangsseitig mit einem weiteren
Rechner (56) zur Bestimmung des Lösedrehmoments sowie einen Schalter (62) verbunden ist, wobei
der Rechner ausgangsseitig einerseits an das Lösesteuerventil (21) und andererseits an einen
weiteren Vergleicher (58) angeschlossen ist, dessen zweiter Eingang mit dem Meßglied (24) in
Verbindung steht und der das errechnete Lösedrehmoment mit dem tatsächlichen Drehmoment vergleicht und ausgangsseitig mit dem Lösesteuerventil
(21) und einem Impulsverzögerungsglied (60) verbunden ist, mit dem einerseits das Anziehsteuerventil (20) und andererseits ein dritter Schalter (62)
betätigbar ist, über den das im Speicher (54) gehaltene Drehmomentsignal parallel mit dem
Drehmomentsignal des Meßgliedes (24) einem weiteren Vergleicher (64) zuführbar ist, der bei
Übereinstimmung der Signale ausgangsseitig ein Abschaltsignal für die Schraubvomchtung bereitstellt.
8. Schraubvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Multiplizier' und Dividierrechner (SQA) dem Speicher (40)
nachgeschaltet ist und die Eingänge des Rechners an den Schalter (42), den Schalter (47) und den
Signalgenerator (48) angeschlossen sind.
9. Schraubvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem den errechneten Drehmomentwert haltenden Speicher (54) ein Vergleicher
nachgeschaltet ist, der parallel dazu mit dem Meßglied (24) verbunden ist und ein dem beim Lösen
auftretenden Drehmoment entsprechendes Signal erhält und bei Übereinstimmen der Signale das
Abschaltsignal unmittelbar erzeugt.
10, Schraubvorrichtung nach den Ansprüchen 1,2
und 5, gekennzeichnet durch die mit einer Addier- und Speicherschaltung (70) für die vom Meßglied
(28) für die Drehbewegungsschritte abgegebenen Signale aber den Schalter (42£f/ verbindbare
Recheneinrichtung (40J3 bis SOfiJi deren Speicher
(40B) den vorbestimmten Zusammenhang zwischen der axialen Zugkraft und der Drehbewegung
speichert und ein die am Abschaltpunkt erreichte, axiale Zugkraft angebendes Signal zu dem Vergleicher (46B) und dem zweiten Schalter (47B) führt,
durch den Signalgenerator (48fljzum Erzeugen des
der gewünschten axialen Zugkraft entsprechenden Signals, der ausgangsseitig den Vergleicher (46B)
und den Multiplizierrechner (50B) speist, der parallel
dazu an den Schalter (47 B) und an den Schalter (425; angeschlossen ist und ein Signal für das Drehbewegungsmaß erzeugt, bei dem die gewünschte axiale
Zugkraft erreicht wird, durch die Regeleinrichtung (74,545, 645,88), bestehend aus einem dem Rechner
(50B) nachgeschalteten Vergleicher (74), der parallel auch mit dem Schalter (42) verbunden ist und ein
Ausgangssignal an den Speicher (54B), das Lösesteuerventil (21 B) und an die Meßeinrichtung (32 bis 38,
80, 82, 84) abzugeben vermag, wobei der Speicher (54) einen weiteren Vergleicher (64ßJ beaufschlagt,
der parallel dazu über einen von der Meßeinrichtung betätigbaren Schalter (86) und ein Zählglied (88) mit
dem Meßglied (2SB) verbindbar ist und ein Abschaltsignal erzeugt, sobald die ihm zugeführten
Signale gleich sind.
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